淺析軌道車輛內(nèi)裝側(cè)頂板中的氣彈簧安裝設(shè)計(jì)

劉佳

（長春長客-龐巴迪軌道車輛有限公司，吉林 長春 130000）

1 安裝設(shè)計(jì)概述

氣彈簧是以氣體和液體為工作介質(zhì)的彈性元件，它的支撐力(本文用F表示)近似不變，在軌道車輛、汽車、飛機(jī)、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。它是由壓力管、活塞、活塞桿及若干連接件組成的。活塞兩端氣壓相等，但活塞兩側(cè)截面積卻不同，在外力作用下氣壓不同，產(chǎn)生向截面積小的一側(cè)的壓力，氣彈簧的支撐力由高壓氣體推動(dòng)活塞桿產(chǎn)生。高壓氣體在液體中的溶解量隨氣體壓縮而增加(此過程對應(yīng)氣彈簧工作于壓縮階段)，隨氣體膨脹而減少(此過程對應(yīng)氣彈簧工作于伸長階段)，使得密閉筒腔內(nèi)的高壓氣體的密度始終維持一個(gè)近似恒定值，也就是氣壓近似不變(即支撐力近似不變)。本文在以往氣彈簧安裝位置設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于兩點(diǎn)法，首先，合理確定活動(dòng)安裝點(diǎn)的位置，選擇氣彈簧，然后確定固定安裝點(diǎn)的位置，最后利用CATIA運(yùn)動(dòng)仿真方法，在CATIA的3D模型中對氣彈簧進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡模擬分析，從而獲取準(zhǔn)確的安裝位置。

2 安裝的分析

將氣彈簧安裝到車輛側(cè)頂板模塊上看似十分簡單，但實(shí)際上由于門機(jī)構(gòu)、線槽線纜、管道和電器設(shè)備等影響，空間大大受到限制，在安裝設(shè)計(jì)過程中需要考慮很多因素，并非易事。氣彈簧在內(nèi)裝側(cè)頂板上的關(guān)閉及開啟位置如圖1所示。從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，已知側(cè)頂板模塊的材料、側(cè)頂板型材的斷面形狀、側(cè)頂板的重量、鉸鏈的斷面形狀和側(cè)頂板開啟狀態(tài)時(shí)的角度a。但未知安裝信息卻有很多——?dú)鈴椈缮?、下安裝點(diǎn)的空間位置A(XA，YA)、O’(XO’，YO’)和支撐力F等5個(gè)未知數(shù)。而由數(shù)學(xué)理論知道，要解出5個(gè)未知數(shù)，要解出由這5個(gè)未知數(shù)構(gòu)成的5個(gè)方程式組成的方程組。由此可見，要求設(shè)計(jì)人員從純理論角度人手解決氣彈簧的安裝幾乎是不可能的。因此，從工程角度切入，補(bǔ)充安裝信息，簡化未知數(shù)，是解決氣彈簧安裝設(shè)計(jì)問題的關(guān)鍵所在。

圖1 氣彈簧安裝示意圖

2.1 力學(xué)分析

側(cè)頂板模塊、鉸鏈型材和氣彈簧構(gòu)成了一個(gè)杠桿系統(tǒng)。并且該系統(tǒng)是一個(gè)費(fèi)力杠桿，因?yàn)闅鈴椈蓪︺q點(diǎn)的力臂小于側(cè)頂板模塊重心對鉸點(diǎn)的力臂。只有當(dāng)氣彈簧支撐力大于側(cè)頂板模塊重量時(shí)，才可以對側(cè)頂板模塊進(jìn)行開啟或關(guān)閉的操作。已知支撐力的最小值，才可以選擇氣彈簧的型號。根據(jù)軌道車輛行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，氣彈簧的支撐力需要大于側(cè)頂板模塊重的2.5倍左右。對同一個(gè)側(cè)頂板模塊來說，當(dāng)氣彈簧支撐力取小于2.5倍側(cè)頂板模塊重量時(shí)，氣彈簧力臂需要增大，工作行程要增大，總長度要增加，安裝空間隨之增大；反之，當(dāng)氣彈簧支撐力大于2.5倍側(cè)頂板模塊重量時(shí)，氣彈簧力臂要減小，工作行程要減小，總長度要減小，安裝空間也會(huì)減小。在設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)客室側(cè)頂板內(nèi)部空間合理選擇氣彈簧的支撐力。

2.2 確定氣彈簧的活動(dòng)安裝點(diǎn)，初選氣彈簧

首先，運(yùn)用CATIA軟件的功能，在建立的側(cè)頂板模型中Apply Material(應(yīng)用材質(zhì))為零件應(yīng)用材料特性，以鉸鏈旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)，獲取旋轉(zhuǎn)模塊的質(zhì)量及在旋轉(zhuǎn)模塊打開和關(guān)閉狀態(tài)下重心位置等信息（參見圖1，可獲得G，Lmax，Lmin等數(shù)據(jù)）。側(cè)頂板模塊在打開過程中對鉸心O的距離不斷變化，當(dāng)側(cè)頂板處于關(guān)閉位置時(shí)，是最大值；當(dāng)側(cè)頂板開啟位置時(shí)，是較小固定值。根據(jù)物理學(xué)杠桿平衡原理可知，車輛運(yùn)行及檢修過程中需要保證側(cè)頂板在持續(xù)開啟或持續(xù)關(guān)閉時(shí)不改變狀態(tài)，氣彈簧在側(cè)頂板模塊處于這兩個(gè)特殊位置時(shí)對鉸心O的瞬時(shí)力矩必須大于等于側(cè)頂板模塊在這兩個(gè)特殊位置時(shí)，側(cè)頂板模塊重力對鉸心O的瞬時(shí)力矩。由此可以確定，氣彈簧所需的最大力臂(Rmax，關(guān)閉狀態(tài))：

Rmax=1.2G×Lmax/nF(n為氣彈簧個(gè)數(shù)，Lmax為關(guān)閉狀態(tài)的最大重力臂值，1.2為安全系數(shù))。

以鉸點(diǎn)O為圓心、Rmax為半徑作圓，則關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，過兩個(gè)氣彈簧安裝點(diǎn)的直線為該圓的一條切線AO’。由此根據(jù)空間結(jié)構(gòu)要求，合理確定活動(dòng)安裝點(diǎn)的位置A（x，y）。A點(diǎn)必須落在側(cè)頂板模塊內(nèi)側(cè)并距離側(cè)頂板模塊面板直線距離大于50mm。由于滿足A點(diǎn)落在側(cè)頂板模塊內(nèi)側(cè)的切線有任意多條，所以氣彈簧的布置也有多種傾角的安裝形式，但它們在力學(xué)上是完全等效的。由于固定安裝點(diǎn)O’也在最大力臂Rmax圓的切線AO’上，所以該切線的方向也受到空間限制，這是合理確定活動(dòng)安裝點(diǎn)位置A的另一個(gè)關(guān)鍵要素。

確定A點(diǎn)后，根據(jù)開度角a可以確定側(cè)頂板模塊開盡時(shí)活動(dòng)安裝點(diǎn)A’點(diǎn)的位置和側(cè)頂板模塊開盡時(shí)最大力臂值(R’max)。過點(diǎn)A’作線段OA’的垂線交切線AO’于O’點(diǎn)。至此，固定安裝點(diǎn)O’初步確定。線段A’O’的長度可以作為選擇氣彈簧總長度的基準(zhǔn)值。由此可選擇氣彈簧的總長度RL、工作行程S等，參見圖2。

圖2 氣彈簧參數(shù)選擇示意圖（JB/T 8064.1-1996）

2.3 確定氣彈簧的固定安裝點(diǎn)

氣彈簧的參數(shù)確定后，由于供應(yīng)商的產(chǎn)品參數(shù)RL與計(jì)算的基準(zhǔn)值存在偏差，因此可以根據(jù)氣彈簧的總長度RLmax值來修正前述初步確定的固定安裝點(diǎn)O’。以A’點(diǎn)為圓心、RLmax為半徑作圓交切線AO’于O’點(diǎn)，此時(shí)確定的O’點(diǎn)為最終的氣彈簧固定安裝點(diǎn)。

2.4 氣彈簧參數(shù)及固定安裝點(diǎn)確認(rèn)

連線固定安裝點(diǎn)O’和鉸點(diǎn)O與活動(dòng)安裝點(diǎn)A旋轉(zhuǎn)軌跡交于點(diǎn)A’’,再以A’’點(diǎn)為圓心，RLmin（RLmin=RLmax-S）為半徑作圓,確認(rèn)固定安裝點(diǎn)O’位置落在圓RLmin外側(cè)。否則重新合理確定活動(dòng)安裝點(diǎn)A的位置，重復(fù)2.3、2.4步驟，直至滿足要求為止。

3 運(yùn)動(dòng)仿真和校核

使用CATIA 的DMU模塊，添加Fix Joint(固定約束副）、Revolute Joint(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)副)等約束，進(jìn)行干涉分析和運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，對整個(gè)側(cè)頂板系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡校核。需要驗(yàn)證氣彈簧運(yùn)動(dòng)軌跡安裝空間是否滿足客室側(cè)頂板內(nèi)部的空間；需要驗(yàn)證側(cè)頂板模塊處于關(guān)閉位置時(shí)，氣彈簧是否能夠滿足自鎖條件。還可以進(jìn)行人機(jī)工程分析，模擬乘務(wù)檢修人員在開啟側(cè)頂板模塊時(shí)，乘務(wù)檢修人員是否能順利開啟側(cè)頂板模，開關(guān)自如。模擬結(jié)果表明，安裝聯(lián)接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，沒有卡阻出現(xiàn)，側(cè)頂板模塊內(nèi)部PIS模塊與車體線槽等固定系統(tǒng)設(shè)備部存在干涉位置，氣彈簧支撐力合適，滿足開啟及關(guān)閉狀態(tài)要求。經(jīng)仿真校核合格后，設(shè)計(jì)產(chǎn)品可用于首列車樣件生產(chǎn)，待首列樣件試裝是再次確認(rèn)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

從氣彈簧概念設(shè)計(jì)到確定氣彈簧支撐力及安裝點(diǎn)的選擇，是需要一系列的計(jì)算得出，整個(gè)設(shè)計(jì)過程需要多次校核及模擬試驗(yàn)，才能得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。經(jīng)過多次實(shí)踐驗(yàn)證并掌握選型技巧后，對以后氣彈簧在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用就能快速準(zhǔn)確的判斷。